四位半數(shù)字電壓表課程設計論文

1、<p><b>　　四位半數(shù)字電壓表</b></p><p>　　【摘要】本文介紹一種數(shù)字電壓測量電路，該電路采用ICL7135高精度、AD轉換電路，將模擬量輸入電壓變換為數(shù)字量，通過芯片74LS47譯碼顯示到數(shù)碼管上。此設備的測量范圍為直流0 —±2伏。芯片ICL7135采用雙電源供電，而為了我們使用的方便，我們運用74HC04非門芯片制造一個反電勢，其可將單電源轉化為

2、雙電源。恰好，74HC04與ICL7135同時都需要時鐘脈沖的作用才能工作，我們便運用時鐘芯片ICM7556組建了一個產生脈沖的震蕩電路。這樣，在幾大模塊的共同工作下，一個高精度的數(shù)字電壓表就構成了。</p><p>　　【關鍵詞】AD轉換；譯碼；時鐘信號；非門芯片</p><p>　　Four And a Half Digital Voltmeter</p><p&g

3、t;　　[Abstract] This article describes a digital voltage measuring circuit, the circuit ICL7135 precision AD conversion circuit, the analog input voltage is converted to digital, digital tube through the chip 74LS47 decod

4、ing show. The measuring range of this device for DC 0 - ± 2 volts. Chip ICL7135 a dual power supply and convenient to use, we use 74HC04 NAND gate chip to create a back EMF, the single-supply dual power supply. Exac

5、tly, 74HC04 and ICL7135 are at the same time take the role of the clo</p><p>　　[Key words] AD conversion; decoding; clock signal; NAND gate chip</p><p><b>　　目錄</b></p><p&g

6、t;<b>　　第1章 前言1</b></p><p><b>　　1.1設計目的1</b></p><p>　　1.2設計內容及要求1</p><p>　　第2章 系統(tǒng)結構框圖及單元電路的設計2</p><p>　　2.1系統(tǒng)結構框圖 2</p><p>　

7、　2.2單元電路的設計2</p><p>　　2.2.1 AD轉換電路2</p><p>　　2.2.2負電源生成電路4</p><p>　　2.2.3震蕩電路5</p><p>　　2.2.4譯碼電路6</p><p>　　2.2.5輸入濾波電路及負電源組成原理7</p><p>

8、　　2.2.6并行位選掃描輸出原理8</p><p>　　第3章 調試要點及測試方法9</p><p><b>　　3.1測試要點9</b></p><p><b>　　3.2測試方法9</b></p><p><b>　　第4章 結論11</b></p>

9、<p>　　4.1調試或焊接過程中出現(xiàn)的錯誤及解決方案11</p><p>　　4.2心得體會11</p><p><b>　　致謝12</b></p><p><b>　　參考文獻13</b></p><p><b>　　第1章 前言</b></p

10、><p><b>　　1.1設計目的</b></p><p>　　1、理論與實踐相結合，設計四位半數(shù)字電壓表。</p><p>　　2、掌握四位半數(shù)字電壓表的設計原理、組裝、焊接與調試方法。</p><p>　　3、了解，掌握，并能獨立調式設計四位半數(shù)字電壓表。以及各組成元件的使用和原理。</p><p&

11、gt;　　4、熟練使用萬用表的各個功能。</p><p>　　1.2設計內容及要求</p><p>　　1、將準備的零器件組裝焊接，正確焊接數(shù)字電壓表。</p><p>　　2、設計好的表測量范圍是-1.9999~1.9999 V。</p><p>　　3、在正常范圍內允許有+/-1個自號跳動。</p><p>　　4

12、、組裝并調試四位半數(shù)字電壓表。</p><p>　　5、畫出數(shù)字電壓表電路原理圖與元器件布置圖。</p><p>　　第2章 系統(tǒng)結構框圖及單元電路的設計</p><p>　　2.1系統(tǒng)結構框圖 </p><p>　　圖2.1 數(shù)字電壓表系統(tǒng)結構框圖</p><p>　　2.2單元電路的設計</p>

13、<p>　　該數(shù)字電壓表是按照普通應用電路而組合成為最基本的數(shù)字表頭，主要使用了其±2.0000V的直接測量功能。</p><p>　　2.2.1 AD轉換電路</p><p>　　AD轉換電路采用高精度ICL7135芯片，ICI7135是4位雙積分A/D轉換芯片,可以轉換輸出±20000個數(shù)字量,有STB選通控制的BCD碼輸出,與微機接口十分方便。ICL7

14、135具有精度高(相當于14位A/D轉換),價格低的優(yōu)點。其轉換速度與時鐘頻率相關,每個轉換周期均有:自校準(調零),正向積分(被測模擬電壓積分),反向積分(基準電壓積分)和過零檢測四個階段組成,其中自校準時間為10001個脈沖,正向積分時間為10000個脈沖,反向積分直至電壓到零為止(最大不超過20001個脈沖)。故設計者可以采用從正向積分開始計數(shù)脈沖個數(shù),到反向積分為零時停止計數(shù)。將計數(shù)的脈沖個數(shù)減10000,即得到對應的模擬量。當

15、BUSY變高時開始正向積分,反向積分到零時BUSY變低,所以BUSY可以用于控制計數(shù)器的啟動/停止。ICL7135有以下特點：</p><p>　?。?）在每次A/D轉換前，內部電路都自動進行調零操作。</p><p>　?。?）在±2000字（2V滿量程）范圍內，保證轉換精度±1字。</p><p>　?。?）具有自動極性轉換功能。</p

16、><p>　?。?）有過量程（OR)和欠量程（UR)標志信號輸出，可用作自動量程轉換的控制信號。 </p><p>　?。?）輸出為動態(tài)掃描BCD碼。</p><p>　　ICL7135為DIP28封裝,芯片引腳排列如下圖所示：</p><p>　　圖2.2 1CL7135芯片引腳</p><p>　　V- （1腳）——負

17、電源端</p><p>　　REFERENCE （2腳）—外接基準電壓輸入端</p><p>　　ANALOG COMMON（三腳）——模擬地</p><p>　　INT（4腳）——積分器輸出，外接積分電容（Cint)端</p><p>　　AZ（5腳）——外接調零電容（Caz)端</p><p>　　BUFF（6腳）

18、——緩沖器輸出，外接積分電阻（Rint)端</p><p>　　REFCAP+(8腳)——外接基準電壓電容（Cr)端</p><p>　　D5、D4、D3、D2、D1（12，17，18，19，20腳）——位掃描選通信號輸出端，每一位驅動信號分別輸出一個正脈沖信號，脈沖寬度為200個時鐘周期，其中D5對應萬位選通，以下依次為千、百、十、個位。在正常輸入情況下，D5-- D1輸出連續(xù)脈沖。當輸

19、入電壓過量程時，D5--D1在AZ階段開始時只分別輸出一個脈沖，然后都處于低電平，直至DE階段開始時才輸出連續(xù)脈沖。利用這個特性，可使得顯示器件在過程時產生一亮一暗的直觀現(xiàn)象.</p><p>　　B8、B4、B2、B1（16，15，14，13腳）——BCD碼輸出端，該四端為轉換結果BCD碼輸出，采用動態(tài)掃描輸出方式，即當位選信號D5=“1”時，該四端的信號為萬位數(shù)的內容，D4=“1”時為千位數(shù)內容，其余依次類推

20、。在個、十、百、千四位數(shù)的內容輸出時，BCD碼范圍為0000--1001，對于萬位數(shù)只有0和1兩種狀態(tài)，所以其輸出的BCD碼為“0000”和 “0001”。當輸入電壓過量程時，各位數(shù)輸出全部為零，這一點在使用時應注意。</p><p>　　BUSY（21腳）——指示積分器處于積分狀態(tài)的標志信號輸出端，在雙積分階段（INT+DE），BUSY為高電平，其余時為低電平。因此利用BUSY功能，可以實現(xiàn)A/D轉換結果的遠距

21、離雙線傳送，其還原方法是將BUSY和CLK“與”后來計數(shù)器，再減去10001就可得到原來的轉換結果。</p><p>　　CLK(22腳)——時鐘信號輸入端，</p><p>　　POL（23腳）——極性輸出端，當輸入電壓為正，則POL等于“1”，反之則等于“0”。</p><p>　　DGNG（24腳）——數(shù)字電路接地端</p><p>　

22、　R/H（25腳）——轉換/保持控制信號輸入端，當R/H=“1”（該端懸空時為“1”）時，7135處于連續(xù)轉換狀態(tài)，每40002個時鐘周期完成一次A/D轉換。若R/H由“1”變“0”，則 7135在完成本次A/D轉換后進入保持狀態(tài)，此時輸出為最后一次轉換結果，不受輸入電壓變化的影響。因此利用R/H端的功能可以使數(shù)據(jù)有保持功能。若把 R/H端用作啟動功能時，只要在該端輸入一個正脈沖（寬度》300NS），轉換器就從AZ階段開始進行A/D轉換

23、。注意：第一次轉換周期中的AZ階段時間為9001-10001個時鐘脈沖，這是由于啟動脈沖和內部計數(shù)器狀態(tài)不同步造成的。</p><p>　　ST(26腳）——選通信號輸出端，主要用作外部寄存器存放轉換結果的選通控制信號，每次A/D轉換周期結束后，ST端都輸出5個負脈沖，其輸出時間對應在每個周期開始時的5個位選信號正脈沖的中間，ST負脈沖寬度等于1/2時鐘周期，第一個ST負脈沖在上次轉換周期結束后101個時鐘周期產

24、生。因為每個選信號（D5--D1）的正脈沖寬度為200個時鐘周期（*只有AZ和DE階段開始時的第一個D5的脈沖寬度為201個CLK周期），所以ST負脈沖之間相隔也是200個時鐘周期。需要注意的是，若上一周期為保持狀態(tài)（R/H=“0”）則 ST無脈沖信號輸出。</p><p>　　ST信號主要用來控制將轉換結果向外部鎖存器、UARTs或微處理器進行傳送。</p><p>　　OR（27腳）—

25、—過量程信號輸出端</p><p>　　當輸入電壓超出量程范圍（20000），OR將會變高。該信號在BUSY信號結束時變高。在DE階段開始時變低。</p><p>　　UR（28腳）——欠量程信號輸出端。在電路內部，CLK和R/H兩個輸入端上分別設置了非門和場效應管的輸入電路，以保證該兩端在懸空時為高電平。</p><p>　　2.2.2負電源生成電路</p&

26、gt;<p>　　ICL713采用雙電源供電，為了省去了用戶使用雙電源供電的麻煩，我們添加了負電源生成電路，這樣一來只需要給表頭供電 +5V 就可以正常使用。74HC04采用COMS工藝，74HC04是CMOS 6反向器數(shù)字元件。其突出優(yōu)點是可在2~6V電壓下工作，既有電源范圍寬的特點，并且很適合在低壓下工作，不像4000系列CMOS電路。雖可用于3~15V電源，但在5V以下的輸出能力已大為減弱。既有靜態(tài)功耗低。74HC0

27、4的內部結構及引腳圖如下：</p><p>　　圖2.3 74HC04內部功能圖</p><p>　　74HC04管腳分布如圖4所示：</p><p>　　圖2.4 74HC04管腳分布</p><p>　　1A----6A為輸入端。</p><p>　　1Y-----6Y為輸出端</p><p

28、><b>　　2.2.3震蕩電路</b></p><p>　　震蕩電路由時鐘芯片ICM7556搭建，該芯片是CMOS定時器提供，大大提高性能，優(yōu)于標準。在同一時間，即在大多數(shù)應用中這些設備的直接替代點，改進的參數(shù)包括低電壓、低電流、寬工作電源電壓范圍、低門檻，觸發(fā)和復位電流。</p><p>　　控制器產生精確的時間延誤或可頻率，定時器操作相互獨立，每個脈沖的寬

29、度精確控制電路是由一個外部電阻器和電容，座位一個振蕩器，自由的非穩(wěn)態(tài)操作運行頻率，占空比都是準確控制兩個外部電阻器和一個電容器。</p><p>　　輸出驅動器一個CMOS逆變器能夠組成駕駛大多數(shù)邏輯系列,包括COMS和</p><p>　　TTL，因此，如果在所有供應CMOS，輸出擺幅驅動電壓將等于電源電壓。在電源電壓4.5v或將推動更多的標準。</p><p>

30、<b>　　2.2.4譯碼電路</b></p><p>　　譯碼電路采用芯片74LS47，其為10線－4線優(yōu)先編碼器，共有54/7414和54/74LS147兩種線路結構型式，其主要電特性的典型值如下：</p><p>　　147將9條數(shù)據(jù)線（1－9）進行4線BCD編碼，即對最高位數(shù)據(jù)線進行譯碼。當1－9均為高電平時，編碼輸出（ABCD）為十進制零。故不需單設/IN0

31、輸入端。74LS47的管腳分布和說明如下圖：</p><p>　　圖2.5 74LS47的管腳分布</p><p>　　(1)LT：試燈輸入，是為了檢查數(shù)碼管各段是否能正常發(fā)光而設置的。當LT=0時，無論輸入A3 ，A2 ，A1 ，A0為何種狀態(tài)，譯碼器輸出均為低電平，若驅動的數(shù)碼管正常，是顯示8。 (2)BI：滅燈輸入，是為控制多位數(shù)碼顯示的滅燈所設置的。BI=0時。不論LT

32、和輸入A3 ，A2 ，A1，A0為何種狀態(tài)，譯碼器輸出均為高電平，使共陽極7段數(shù)碼管熄滅。 (3)RBI：滅零輸入，它是為使不希望顯示的0熄滅而設定的。當對每一位A3= A2 =A1 =A0=0時，本應顯示0，但是在RBI=0作用下，使譯碼器輸出全1。其結果和加入滅燈信號的結果一樣，將0熄滅。 (4)RBO：滅零輸出，它和滅燈輸入BI共用一端，兩者配合使用，可以實現(xiàn)多位數(shù)碼顯示的滅零控制。</p>&l

33、t;p>　　它將編碼時賦予代碼的含義“翻譯”過來。實現(xiàn)譯碼的邏輯電路成為譯碼</p><p>　　器。譯碼器輸出與輸入代碼有唯一的對應關系。74LS47是輸出低電平有效的七段字形譯碼器，它在這里與數(shù)碼管配合使用。</p><p>　　2.2.5輸入濾波電路及負電源組成原理</p><p>　　在ICL7135的信號輸入端，即“INLO-”“INLI+”兩個管腳

34、（9，10）與被測電壓VX 之間接100KΩ和0.1µF的RC濾波器，以提高整體抗干擾能力，以有利于增加整體的過載能力。</p><p>　　ICL7135所需的“-5V”電源由74LS47的反相器并聯(lián)為電源逆變電壓，以提供所需的-5V電壓要求。輸入濾波電路如圖6所示：</p><p>　　圖2.6 輸入濾波電路</p><p>　　6個非門并聯(lián)相當于一

35、個非門，當輸入脈沖為高電平時，經(jīng)過非門反相器輸出為低電平，當反相器輸出高電平時，形成如圖7所示電路，由點ａ向C6充電至+5V止，這時D2反相截止，當反相器輸出低電平時，形成如圖8所示回路，當a相當于地，C6上的壓降相當于+5V。</p><p>　　圖2.7 回路1 圖2.8 回路2 </p><p>　　C點為地，D3截止，D2導通。電流方向e→d→

36、b,輸出一個-5V電壓，滿足一個電源供兩種極性的要求，同時，選用穩(wěn)定電壓為3V的標準穩(wěn)壓二極管，并且用一個分壓電阻與電位器串聯(lián)，微調提供基準電壓Vref=1V，基準電壓的精度和準穩(wěn)定性將直接影響轉換的精度。</p><p>　　2.2.6并行位選掃描輸出原理</p><p>　　ICL7135是動態(tài)掃描傳送的，由最高位到最低位，D5~D1在正常的情況下掃描是按順序的。</p>

37、<p>　　ICL7135極性輸出端POL外接三極管9013接在共陽數(shù)碼管陽極上，當7135輸出高電平時，NPN三極管導通，LED的G端為高電平，輸出顯示；反之，當7135輸出低電平時，三極管截止，LED的G端為低電平，不顯示。</p><p>　　位選信號和譯碼器對每一位數(shù)碼管準備的信號是一直的，這樣在高速的頻率刷新下，由于人肉眼的滯留現(xiàn)象，我們可以看見五個數(shù)碼管同時在亮。實際中，某一時刻下只有一個

38、管在亮。電路圖如下：</p><p><b>　　總線 </b></p><p>　　圖2.9 顯示電路</p><p>　　第3章 調試要點及測試方法</p><p><b>　　3.1測試要點</b></p><p>　　在調試的過程中，我們遇到了幾個問題。一個是數(shù)碼管

39、閃爍的問題，究其原因是基準電壓沒調準，加上供的-5v電壓。另一個是數(shù)碼管不亮的問題。可能是因為7135的位選沒通，也有可能是74LS47的驅動能力有問題。如果74HC04存在問題，數(shù)碼管上顯示的數(shù)值就會跳，所以我們也可以直接提供-5v，避免這些問題的發(fā)生。</p><p>　　為了使數(shù)字電壓表更加精確，在調試的過程中需要找出出現(xiàn)問題的原因。需要注意的大致為以下六點：</p><p>　　(

40、1)接通電源電壓+/-5V的電源，用萬用表測量555多諧振蕩器的電壓，看是否為起振電壓。</p><p>　　(2)采用穩(wěn)壓電源，使其輸出電壓為199.99mV或1.9999V作模擬量輸入信號，調整基準電壓的電位器，使LED數(shù)碼管顯示值與輸入模擬電壓值相等。</p><p>　　(3)基準電壓測量，將正輸入端短接，讀數(shù)應為1000.01；檢查自動調零功能，將輸入端短路，也就是沒有輸入信號的

41、時候，LED顯示器應該顯示“00000”。</p><p>　　(4)檢查超量程溢出功能，調節(jié)輸入電壓值，當超出測量范圍時觀察LED數(shù)碼管是否有閃爍警告。</p><p>　　(5)測試線性誤差，將輸入模擬電壓信號從0V增加到1.9999V,用標準數(shù)字電壓表檢測輸出，通過與LED顯示值相比較，其最大偏差即為線性誤差。</p><p>　　(6)選擇不同范圍的電壓值，

42、檢查各量程是否準確。</p><p><b>　　3.2 測試方法</b></p><p>　　基本質量的快速判別與測定：送入 +5V 直流穩(wěn)壓電源，屏幕上面應該顯示隨機數(shù)字，用金屬短路 2個輸入端口（Vin與GND），屏幕應該顯示±0000,（允許有 ±1個字的變化），利用指針萬用表的 X1Ω電阻擋，（或者是一節(jié) 1.5V 電池），輸入到電壓表的

43、信號輸入端口，屏幕應該顯示該電池的數(shù)字。交換輸入信號的極性，應該有負號出現(xiàn)，顯示為 -15034。經(jīng)過這么一輪測試，如果都沒有問題，表頭就可以準備使用了。</p><p>　　校準測量精度：可以使用最簡單的方法校準，就是利用一只數(shù)字萬用表監(jiān)視著芯片第二引腳的電壓，微調多圈電位器，使讀數(shù)＝1.0000V,(允許± 2 個字)，然后，輸入一個信號電壓，用數(shù)字萬用表監(jiān)視，是否讀數(shù)一致，如果不一致，再仔細微調多

44、圈電位器令其達到一致。校準后，可以用膠粘住電位器的微調螺釘，以防移位，之后，就可以投入正常使用了。</p><p><b>　　第4章 結論</b></p><p>　　4.1調試或焊接過程中出現(xiàn)的錯誤及解決方案</p><p>　　焊這塊板子進行的還算順利，花了大概一下午的時間。第一次上電就顯示出了數(shù)字。按照所需要求，我在其它標準電壓表的測量

45、下，將基準電壓調為1V。之后測量了一下自己的紐扣電池，正接大概1.51V,反接大概 -1.52V。根據(jù)實際的應用，我將高位數(shù)碼管的小數(shù)點段連接電阻至低，這樣表頭變的就更正式了。</p><p><b>　　4.2 心得體會</b></p><p>　　本次設計是對我大學數(shù)字電子技術學習的見證與總結，我并沒有把這次設計當成一個任務來完成，而是作為自己學習的真理與綜合，并

46、借此機會對自己所學的專業(yè)知識進一步鞏固。在設計中我學會了發(fā)現(xiàn)問題，最終解決問題并改進自己的不足，在實踐中一步步提高自己的能力與素質。同時也鍛煉了自己的獨立能力，發(fā)現(xiàn)自己的知識很有局限性，還有很多的漏洞，趁機在這次設計中彌補自知識的欠缺與不足。</p><p>　　通過這次的設計，我基本能按照規(guī)定的程序進行收集、調查有關資料，在其中掌握了AD轉換、多諧震蕩、譯碼等很多東西。此次設計學到了很多課本中學不到的東西，由此

47、感受到了數(shù)字電子技術的強大與神奇。</p><p><b>　　致謝</b></p><p>　　回首既往，自己人生最寶貴的時光能與這樣的校園之中，能再眾多學富五車、才華橫溢的老師們的熏陶下度過，實在是榮幸之極。進過一段緊張忙碌的時間，終于將課程設計完成了。在此，我要感謝雷艷敏老師。雷老師從最初的定題，到資料的收集，再到原理的講述等等。他給了我們耐心的指導和無私的幫助

48、。</p><p>　　同時也感謝學校給了我一個良好的學習環(huán)境，以及在系里領導和老師同學們的幫助下，使我在各個方面更加完善。再次表示對學校老師同學們的崇高的敬意和忠心的感謝！</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1]閻石.電子技術基礎.北京：高等教育出版社，2006</p><p>　　[